JP2011159493A - 燃料電池システム、及び、その発電電力目標値の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 余剰電力の発生低減と、発電電圧の変動緩和による発電効率の低下抑制とを図り、しかも需要電力の急激な増加にも対応可能とする。
【解決手段】 第１の評価時間Ｔ１ごとに、第１の評価時間Ｔ１内の需要電力の最低値に基づいて、最低値より小さくなるように、燃料電池の発電電力の目標値を設定する。需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記第１の評価時間Ｔ１より短い第２の評価時間Ｔ２が経過したときに、第２の評価時間Ｔ２内の需要電力の最低値に基づいて、最低値より小さくなるように、燃料電池の発電電力の目標値を設定する。また、発電電力の目標値が需要電力より大きい場合は、即座に、発電電力の目標値を需要電力より小さくなるように設定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に需要に応じた発電電力の制御技術に関する。

家庭用の燃料電池システム（発電ユニット）は、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油など）を改質して水素を生成する改質器を含む水素製造装置と、生成した水素と空気中の酸素とから電気化学反応により直流電力を発生させる燃料電池（燃料電池スタック）と、燃料電池で発生した直流電力を交流電力に変換するインバータを含むパワーコンディショナーと、燃料電池などで発生する熱を回収して給湯ユニット側と熱交換する熱交換器とを含んで構成される。

燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力は使用先に電力需要を超えて供給することができない。このため、特許文献１、２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電電力を需要電力に応じて逐次変化させており、燃料電池の発電の追従性を補うためにシステム内に蓄電池を有している。

特開２００３−０７７５０７号公報 特開２００８−１５２９５９号公報

しかしながら、改質器を有する燃料電池システムは、燃料や水の供給量を制御することによって発電電力を調整する方式であるため、他の発電方式に比して発電電力の調整が難しい。そのため、燃料電池の発電電力を需要電力に追従させるようにした場合、燃料電池の発電電力の変化速度が遅いため、例えば、急激に需要電力が低下したときに燃料電池の発電電力が低下するまでに時間がかかり、余剰電力が発生してしまうという問題がある。

余剰電力が発生した場合は、逆潮流防止のため、システム内部の電気ヒータにより余剰電力を消費して熱に変換することが必要になるが、燃料から発電した電気を用いて熱に変換することになるため、燃料を燃焼などにより直接熱に変換する場合に比べて、効率が悪い。
すなわち、局所的な変動の激しい需要電力に追従させて発電した場合は、結果として発電効率が低下してしまうという問題があり、発電出力の変動は燃料電池スタックや燃料改質器の運転安定性、寿命にとって負の要因となる。

改質器を設けず純水素を使用する燃料電池システムにおいても、水素供給制御の遅れが発生するため燃料電池スタックの寿命にとっては負の要因となる。
そのためには過剰な発電出力の変動は抑えることが望ましい。
また、蓄電池を用いる方式では、蓄電池自体が高コスト、大サイズ、低寿命であることにより、システムのコスト、サイズ及び寿命に大きな影響を及ぼす。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができ、しかも需要電力の急激な増加にも対応できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池の発電電力を制御する制御装置に、所定の評価時間ごとに、その評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値を設定する発電電力目標値設定手段を具備させて、その目標値に従って、燃料電池の発電電力を制御するように構成する。
そして、更に、需要電力と発電電力の目標値との関係に基づいて、前記評価時間を設定し、需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記評価時間を短くする評価時間可変手段を具備させる構成とする。

また、評価時間を少なくとも第１の評価時間と第２の評価時間とに可変にすることを前提にする場合は、次のように記述できる。
本発明は、燃料電池の発電電力を制御する制御装置に、第１の評価時間ごとに、第１の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値を設定する第１の発電電力目標値設定手段と、需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記第１の発電電力目標値設定手段に代わり、前記第１の評価時間より短い第２の評価時間が経過したときに、第２の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値を設定する第２の発電電力目標値設定手段と、を具備させて、その目標値に従って、燃料電池の発電電力を制御するように構成する。

この場合の本発明の燃料電池システムの発電電力目標値の設定方法は、第１の評価時間ごとに、第１の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値を設定し、需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記第１の評価時間より短い第２の評価時間が経過したときに、第２の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値を設定する。

本発明によれば、需要電力をそのまま発電電力の目標値とするのではなく、評価時間内の需要電力の最低値に基づいて発電電力の目標値を設定するため、余剰電力の発生を低減できると共に、需要電力が変動した場合であっても、その変動の影響を排除して、発電電力の変動を緩やかにし、安定運転により発電効率の低下を抑制することができる。
また、評価時間を可変として、需要電力の急激な増加があった場合は、評価時間を短くすることで、比較的早期に発電電力の目標値を変更し、発電機会の損失を防ぐことができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図 発電電力目標値（目標出力）設定ルーチンのフローチャート 他の実施形態として示す発電電力目標値（目標出力）設定ルーチンのフローチャート 従来の制御の説明図 図２のフローでの制御の説明図 図３のフローでの制御の説明図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池システム（発電ユニット）の概略構成図である。
家庭用の燃料電池システム（発電ユニット）は、システム筐体１内に、水素製造装置２と、燃料電池３と、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）４と、熱交換器５とを備えて構成される。

水素製造装置２は、炭化水素系の燃料（例えば都市ガス、ＬＰＧ、灯油など）を改質触媒を用いて水蒸気供給下で改質により水素（Ｈ２、ＣＯ２を含む水素リッチな燃料ガス）を生成する改質器を主体として構成される。また、改質反応（吸熱反応）のための改質器加熱用の燃焼器（バーナー）６を備え、燃焼器６では、燃料電池３の燃料極側のオフガス（オフガス発生前はバーナー用燃料）を燃焼させる。

図示は省略するが、水素製造装置２は、この他、改質器の上流側に設けられて、改質前の炭化水素系の燃料に含まれる硫黄化合物を吸着剤を用いて吸着除去又は脱硫触媒を用いて変換除去する脱硫器と、改質器の下流側に設けられて、改質ガス中の副生ＣＯをシフト触媒により残留水蒸気と反応させてＣＯ２とＨ２に変えるＣＯシフト反応器とを備える。
また、必要に応じ、シフト反応後のガス中にわずかながら残存するＣＯを選択酸化触媒を用いて空気供給下で選択的に酸化してＣＯ２に変えるＣＯ選択酸化器を更に備えてもよい。

燃料電池３は、例えば固体高分子形（ＰＥＦＣ）の燃料電池スタックであり、複数の電池セルが積み重ねられて構成される。電池セルは、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、これらの間に配置された電解質層（高分子のイオン交換膜）とを有している。従って、燃料電池３は、電解質層の一端側の燃料極に水素（水素リッチな燃料ガス）が供給され、電解質層の他端側の空気極に空気中の酸素が供給されることで、水素と酸素との電気化学反応（発熱反応）により、直流電力を発生する。尚、燃料電池３としては、固体高分子形（ＰＥＦＣ）のものに限らず、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、あるいはアルカリ電解質形（ＡＦＣ）などの他の形式の燃料電池であってもよい。

パワーコンディショナー（ＰＣＳ）４は、燃料電池３で発生した直流電力を交流電力に変換して家庭内の電気機器（負荷）ＥＩに供給するインバータを主体として構成される。また、パワーコンディショナー４には余剰電力ヒータ７が付設されており、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力を超える場合、逆潮流防止のため、インバータによる変換前の直流電力又は変換後の交流電力の一部が余剰電力ヒータ７に供給されて、余剰電力が消費される。尚、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力に満たない場合は、商用電力系統ＣＥからの補助電力が電気機器ＥＩに供給される。

熱交換器５は、その一次側が燃料電池３冷却用の冷却水循環通路８の一部を構成し、その二次側が給湯ユニット（貯湯ユニット）側の熱回収通路１２の一部を構成し、燃料電池３にて発生する熱を回収して給湯ユニットとの間で熱交換する。
熱交換器５の一次側の冷却水循環通路８では、水タンク９内の水を水ポンプ１０により燃料電池３の冷却器（ウォータジャケット）１１に送り、ここで昇温した水を熱交換器５の一次側に流して、給湯ユニットからの水と熱交換した後、水タンク９内に戻している。図示は省略するが、この冷却水は水素製造装置２内のＣＯシフト反応器及びＣＯ選択酸化器での発熱反応の冷却にも用いられる。

また、熱交換器５の二次側の熱回収通路１２には、前記余剰電力ヒータ７を配置して、余剰電力を消費する際に、熱回収を行っている。
尚、水素製造装置（改質器）２には改質に必要な水を供給するが、この水の少なくとも一部は、燃料電池３の空気極側のオフガス中、及び／又は、燃焼器６の排気中から、凝縮器により回収している。

燃料電池システム（発電ユニット）はまた、電気機器ＥＩの需要電力に応じて、燃料電池３の発電電力を制御する制御装置１３を備えて構成される。制御装置１３は、マイクロコンピュータにより構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスなどを備えている。
電気機器ＥＩの需要電力に応じた制御のため、制御装置１３には、計測器１４、１５から信号が入力される。計測器１４は、燃料電池３から電気機器ＥＩへ供給される供給電力を測定し、供給電力の測定値を制御装置１３へ出力する。計測器１５は、商用電力系統ＣＥから電気機器ＥＩへ供給される補助電力を測定し、補助電力の測定値を制御装置１３へ出力する。電気機器ＥＩの需要電力は、供給電力と補助電力との和として算出される。

また、制御装置１３には、燃料電池３に内蔵の電流計などの計測器１６から信号が入力されており、これに基づいて、燃料電池３の実際の発電電力を検出可能である。
制御装置１３による発電電力の制御は、燃料供給制御手段（ポンプ及び／又は制御弁）１７を介して水素製造装置２への燃料供給量を制御して、燃料電池３への改質燃料の供給量を制御し、また、空気供給制御手段（ポンプ及び／又は制御弁）１８を介して燃料電池３への空気の供給量を制御することによって、行う。実際には、この他、水素製造装置（改質器）２への改質用水の供給、燃焼器６への燃料供給、ＣＯ選択酸化器への空気供給、各部への冷却水の供給などを協調制御する。

従って、制御装置１３は、電気機器ＥＩの需要電力に応じて、燃料電池３の発電電力目標値を設定し、これに従って（発電電力目標値を得るように）、燃料供給量や空気供給量などを制御することにより、燃料電池３の発電電力を制御する。
制御装置１３はまた、パワーコンディショナー４を制御し、燃料電池３の発電電力が電気機器ＥＩの需要電力を超える場合に、余剰電力を余剰電力ヒータ７に供給する。これにより、余剰電力を利用して、給湯を行う。

次に、本実施形態における、制御装置１３での、電気機器ＥＩの需要電力に応じた燃料電池３の発電電力目標値（目標出力）の設定について、詳細に説明する。
図２は、発電電力目標値（目標出力）設定ルーチンのフローチャートである。本ルーチンはシステム起動と共に開始し、後述するＳ５でシステム停止（終了）と判定されるまで実行される。

Ｓ１〜Ｓ４は、本ルーチンの開始時（システム起動直後）のみ実行される処理である。
Ｓ１では、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１を起動（０スタート）する。すなわち、第１の評価時間Ｔ１の計時を開始する。尚、第１の評価時間Ｔ１は、例えば１０〜１５分程度とする。
Ｓ２では、現在の需要電力Ｐを取得する。

Ｓ３では、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を設定する。具体的には、任意値（予め任意に定めた値）、又は、現在の需要電力Ｐより予め定めた偏差分ｄＰ３小さい値（Ｐ−ｄＰ３）などに設定する。
Ｓ４では、第１の評価時間Ｔ１内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１＝Ｐ（Ｓ２で取得した値）として、初期設定する。

Ｓ５以降は、本ルーチンの実行中に繰り返し実行される処理である。
Ｓ５では、システム停止（終了）か否かを判定し、Ｎｏであれば、Ｓ６へ進む。
Ｓ６では、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１を起動済みか否か、すなわちＴＭ１≠０か否かを判定する。そして、第１タイマ起動済みでない場合（ＴＭ１＝０の場合）は、Ｓ７へ進み、第１タイマＴＭ１を起動（０スタート）する。すなわち、第１の評価時間Ｔ１の計時を開始する。

Ｓ８では、現在の需要電力Ｐを新たに取得する。
Ｓ９では、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０より低いか否かを判定し、低い場合は、Ｓ１０へ進み、余剰電力の発生を回避するため、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を次式のごとく更新する。
Ｐ０＝Ｐ−ｄＰ３
すなわち、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を、需要電力Ｐより予め定めた偏差分ｄＰ３小さい値（Ｐ−ｄＰ３）に設定する。

言い換えれば、発電電力の目標値が需要電力より大きい場合に、発電電力の目標値を需要電力より、予め定めた偏差分ｄＰ３、小さくなるように設定する。
Ｓ１０で発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を更新した後は、Ｓ１１に進み、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１、及び、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ１＝０、ＴＭ２＝０）した後、Ｓ５へ戻る。従って、第１の評価時間Ｔ１の計時が途中でリセットされて再スタート（Ｓ７）することになる。

Ｓ９の判定で、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０より高い場合は、Ｓ１２、Ｓ１３の最低値判定と最低値更新処理へ進む。
Ｓ１２では、現在の需要電力Ｐと第１の評価時間Ｔ１内のこれまでの最低値Ｐｍｉｎ１とを比較し、Ｐ＜Ｐｍｉｎ１の場合に、Ｓ１３へ進み、最低値Ｐｍｉｎ１＝Ｐとして、最低値を更新する。このような最低値更新処理の後、Ｓ１４へ進む。

Ｓ１４では、第１タイマＴＭ１の値を第１の評価時間Ｔ１と比較し、ＴＭ１≧Ｔ１か否か、すなわち第１の評価時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。
第１の評価時間Ｔ１内の場合（ＴＭ１＜Ｔ１の場合）は、Ｓ１７へ進み、需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）か否かを判定する。需要電力増大状態とは、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている状態をいう。この所定値ｄＰ１は例えば２００Ｗ程度に設定される。

需要電力増大状態でない場合（Ｓ１７の判定でＮｏの場合）は、Ｓ１８へ進み、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ２＝０）した後、Ｓ５へ戻る。
Ｓ１４での判定で、第１の評価時間Ｔ１が経過した場合（ＴＭ１≧Ｔ１の場合）は、Ｓ１５の目標出力更新処理へ進む。
Ｓ１５では、次式のごとく、第１の評価時間Ｔ１内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１より予め定めた偏差分ｄＰ１１小さい値（Ｐｍｉｎ１−ｄＰ１１）を、新たな発電電力目標値（目標出力）Ｐ０とする。

Ｐ０＝Ｐｍｉｎ１−ｄＰ１１
Ｓ１５で発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を更新した後は、Ｓ１６に進み、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１、及び、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ１＝０、ＴＭ２＝０）した後、Ｓ５へ戻る。
次に第１の評価時間Ｔ１内に需要電力Ｐの急上昇（例えば新たな電気機器の投入）があった場合の処理について説明する。

Ｓ１４の判定で、第１の評価時間Ｔ１内の場合（ＴＭ１＜Ｔ１の場合）は、Ｓ１７へ進む。
Ｓ１７では、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）か否かを判定する。
従って、需要電力Ｐの急上昇があった場合は、Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１となるので、Ｓ１７の判定でＹｅｓとなり、Ｓ１９へ進む。

Ｓ１９では、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２を起動済みか否か、すなわちＴＭ２≠０か否かを判定する。
第２タイマ起動済みでない場合（ＴＭ２＝０の場合）は、Ｓ２０、Ｓ２１へ進む。Ｓ２０では、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２を起動（０スタート）する。すなわち、第２の評価時間Ｔ２の計時を開始する。尚、第２の評価時間Ｔ２は、第１の評価時間Ｔ１より短く設定される。例えば、第１の評価時間Ｔ１が１０〜１５分とすると、第２の評価時間Ｔ２は１〜２分程度とする。

また、Ｓ２１では、第２の評価時間Ｔ２内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ２＝Ｐ（Ｓ８で取得した値）として、初期設定する。この後、Ｓ５へ戻る。
引き続き、需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）で、Ｓ１７からＳ１９へ進んできたときは、Ｓ１９の判定で、第２タイマ起動済み（ＴＭ２≠０）であるため、Ｓ２２、Ｓ２３の最低値判定と最低値更新処理へ進む。

Ｓ２２では、現在の需要電力Ｐと第２の評価時間Ｔ２内のこれまでの最低値Ｐｍｉｎ２とを比較し、Ｐ＜Ｐｍｉｎ２の場合に、Ｓ２３へ進み、最低値Ｐｍｉｎ２＝Ｐとして、最低値を更新する。このような最低値更新処理の後、Ｓ２４へ進む。
Ｓ２４では、第２タイマＴＭ２の値を第２の評価時間Ｔ２と比較し、ＴＭ２≧Ｔ２か否か、すなわち第２の評価時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。

第２の評価時間Ｔ２内の場合（ＴＭ２＜Ｔ２の場合）は、そのまま、Ｓ５へ戻る。
Ｓ２４での判定で、第２の評価時間Ｔ２が経過した場合（ＴＭ２≧Ｔ２の場合）は、Ｓ２５の目標出力更新処理へ進む。
Ｓ２５では、次式のごとく、第２の評価時間Ｔ２内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ２より予め定めた偏差分ｄＰ２１小さい値（Ｐｍｉｎ２−ｄＰ２１）を、新たな発電電力目標値（目標出力）Ｐ０とする。

Ｐ０＝Ｐｍｉｎ２−ｄＰ２１
尚、ｄＰ１１とｄＰ２１は同じ値でもよいし、異ならせてもよい。
Ｓ２５で発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を更新した後は、Ｓ２６に進み、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１、及び、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ１＝０、ＴＭ２＝０）した後、Ｓ５へ戻る。

需要電力が急上昇して、Ｓ１７にて需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）と判定されて、第２の評価時間Ｔ２の計時が開始された後、第２の評価時間Ｔ２が経過する前に、需要電力が低下して、Ｓ１７にて需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）でなくなった場合は、Ｓ１７からＳ１８へ進む。従って、Ｓ１８にて、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ２＝０）した後、Ｓ５へ戻る。従って、通常通り、第１の評価時間Ｔ１ごとに発電電力目標値（目標出力）Ｐ０の更新処理がなされるようになる。

図３は、他の実施形態（図２を第１の実施形態とすると第２の実施形態）として示す、発電電力目標値（目標出力）設定ルーチンのフローチャートである。図２のフローと比較すると、Ｓ１４〜Ｓ１６、Ｓ１８の処理を廃止し、Ｓ１７の判定でＮｏの場合の処理として、Ｓ３１〜Ｓ３４の処理を設けている。従って、図３のフローについては、主に図２と異なる部分を説明する。

Ｓ１〜Ｓ１３の処理は同じであり、Ｓ１２、Ｓ１３での第１の評価時間Ｔ１内の需要電力の最低値判定と最低値更新処理の後、Ｓ１７へ進む。
Ｓ１７では、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）か否かを判定する。
需要電力増大状態でない場合（Ｓ１７の判定でＮｏの場合）は、Ｓ３１へ進み、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ２＝０）して、Ｓ３２へ進む。

Ｓ３２では、第１タイマＴＭ１の値を第１の評価時間Ｔ１と比較し、ＴＭ１≧Ｔ１か否か、すなわち第１の評価時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。
第１の評価時間Ｔ１内の場合（ＴＭ１＜Ｔ１の場合）は、Ｓ５へ戻る。
Ｓ３２での判定で、第１の評価時間Ｔ１が経過した場合（ＴＭ１≧Ｔ１の場合）は、Ｓ３３の目標出力更新処理へ進む。

Ｓ３３では、次式のごとく、第１の評価時間Ｔ１内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１より予め定めた偏差分ｄＰ１１小さい値（Ｐｍｉｎ１−ｄＰ１１）を、新たな発電電力目標値（目標出力）Ｐ０とする。
Ｐ０＝Ｐｍｉｎ１−ｄＰ１１
Ｓ３３で発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を更新した後は、Ｓ３４に進み、第１の評価時間Ｔ１計時用の第１タイマＴＭ１をリセット（ＴＭ１＝０）した後、Ｓ５へ戻る。

需要電力Ｐの急上昇（例えば新たな電気機器の投入）があった場合の処理については、Ｓ１７にて、需要電力Ｐが発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）か否かを判定しており、需要電力Ｐの急上昇があった場合は、Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１となるので、Ｓ１７の判定でＹｅｓとなり、Ｓ１９へ進む。Ｓ１９〜Ｓ２６の処理は同じである。

尚、需要電力が急上昇して、Ｓ１７にて需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）と判定されて、第２の評価時間Ｔ２の計時が開始された後、第２の評価時間Ｔ２が経過する前に、需要電力が低下して、Ｓ１７にて需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１）でなくなった場合は、Ｓ１７からＳ３１へ進む。従って、Ｓ３１にて、第２の評価時間Ｔ２計時用の第２タイマＴＭ２をリセット（ＴＭ２＝０）して、最終的にはＳ５へ戻る。従って、通常通り、第１の評価時間Ｔ１ごとに発電電力目標値（目標出力）Ｐ０の更新処理がなされるようになる。

図４は従来の制御の説明図であり、図５及び図６は本発明の実施形態（第１及び第２の実施形態）での制御の説明図である。尚、これらの図では、需要電力Ｐを細線、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を点線、実際の発電電力（実出力）を太線で示し、また余剰電力をハッチングで示している。
従来の制御では、図４に示されるように、需要電力Ｐに応じて発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を設定しており、実際の発電電力（実出力）が発電電力目標値（≒需要電力Ｐ）に遅れをもって変化する。従って、需要電力Ｐが減少するときに、発電電力（実出力）の低下が間に合わず、余剰電力（ハッチング部分）を生じることになる。

これに対し、本発明の実施形態では、図５又は図６に示されるように、第１の評価時間Ｔ１ごとに、その時間Ｔ１内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１に基づいて、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を設定するため、余剰電力の発生を低減できると共に、需要電力Ｐが変動した場合であっても、その変動の影響を排除して、発電電力（実出力）の変動を緩やかにし、安定運転により発電効率の低下を抑制できる。

また、需要電力Ｐの急激な増加（例えば２００Ｗ超の増加）があった場合は、評価時間を第２の評価時間Ｔ２に切替え、その時間Ｔ２内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ２に基づいて、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を設定するため、比較的早期に発電電力目標値を変更し、発電機会の損失を防ぐことができる。
また、需要電力Ｐが急激に減少して、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０より低くなった場合は、即座に、発電電力目標値（目標出力）Ｐ０を需要電力Ｐより小さくなるように設定することで、余剰電力の発生を低減することができる。

ここで、第１の実施形態（図２、図５）と第２の実施形態（図３、図６）との違いについて、説明する。
第１の実施形態（図２）では、第１の評価時間Ｔ１の計時・判定を優先し、その判定後に、需要電力増大状態（需要電力急上昇）の判定、従って第２の評価時間Ｔ２の計時・判定を行う。

これに対し、第２の実施形態（図３）では、第１の評価時間Ｔ１の計時・判定よりも、需要電力増大状態（需要電力急上昇）の判定、すなわち第２の評価時間Ｔ２の計時・判定を優先する。
従って、図５及び図６のＡ点で比較すると、第１の実施形態（図５）では、ＴＭ１を優先するため、ＴＭ２のカウントを中断して、次サイクルのＰ０は、Ｐｍｉｎ１に基づいて計算する。これに対し、第２の実施形態（図６）では、ＴＭ２を優先するため、ＴＭ１がＴ１経過しても、ＴＭ２のカウントを継続して、次サイクルのＰ０は、Ｐｍｉｎ２に基づいて計算する。

また、図５及び図６のＢ点で比較すると、第１の実施形態（図５）では、ＴＭ１を優先するため、次サイクルのＰ０は、Ｐｍｉｎ１に基づいて計算する。これに対し、第２の実施形態（図６）では、ＴＭ２を優先するため、次サイクルのＰ０は、Ｐｍｉｎ２に基づいて計算する。
以上説明したように、上記実施形態によれば、燃料電池３の発電電力を制御する制御装置１３が、所定の評価時間ごとに、評価時間内の需要電力Ｐの最低値に基づいて、燃料電池３の発電電力の目標値Ｐ０を設定する発電電力目標値設定手段（Ｓ１５とＳ２５、又はＳ３３とＳ２５）を有して、その目標値Ｐ０に従って、燃料電池３の発電電力を制御するように構成されることにより、余剰電力の発生を低減できると共に、需要電力の変動にかかわらず、発電電力の変動を緩やかにして、発電効率の低下を抑制できる。

また、制御装置１３が、更に、需要電力Ｐと発電電力の目標値Ｐ０との関係に基づいて、評価時間（Ｔ１又はＴ２）を設定し、需要電力Ｐが発電電力の目標値Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１の状態）では、評価時間を短くする評価時間可変手段を有することにより、需要電力の急激な増加があった場合は、比較的早期に発電電力の目標値Ｐ０を変更し、発電機会の損失を防ぐことができる。

言い換えれば、第１の評価時間Ｔ１ごとに、第１の評価時間Ｔ１内の需要電力Ｐの最低値Ｐｍｉｎ１に基づいて、燃料電池の発電電力の目標値Ｐ０を設定する第１の発電電力目標値設定手段（Ｓ１５又はＳ３３）と、需要電力Ｐが発電電力の目標値Ｐ０を所定値ｄＰ１以上上回っている需要電力増大状態（Ｐ−Ｐ０＞ｄＰ１の状態）では、前記第１の発電電力目標値設定手段に代わり、前記第１の評価時間Ｔ１より短い第２の評価時間Ｔ２が経過したときに、第２の評価時間Ｔ２内の需要電力Ｐの最低値Ｐｍｉｎ２に基づいて、燃料電池３の発電電力の目標値Ｐ０を設定する第２の発電電力目標値設定手段（Ｓ２５）と、を有することにより、評価時間の切替え制御によって、余剰電力の発生低減、発電電力の変動緩和による発電効率の低下抑制、及び、需要電力の急激な増加があった場合の発電機会の損失防止の効果を得ることができる。

但し、評価時間の切替えは、２段に限らず、需要電力と発電電力の目標値との関係に基づいて、多段に制御するようにしてもよい。すなわち、需要電力の増大のレベルに応じ、これが大きいほど、評価時間を短くするようにしてもよい。フローチャート上では、評価時間Ｔ１については一定とし、評価時間Ｔ２を複数段に需要電力の増大のレベル（Ｐ−Ｐ０のレベル）に応じて可変とするとよい。

また、上記実施形態によれば、前記発電電力目標値設定手段は、評価時間内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２に基づいて、最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２より小さくなるように、発電電力の目標値Ｐ０を設定することにより、余剰電力の発生低減と、発電電力の変動緩和による発電効率の低下抑制とを、より効果的に達成することができる。
また、上記実施形態によれば、前記発電電力目標値設定手段は、評価時間内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２より、予め定めた偏差分ｄＰ１１、ｄＰ１２小さい値に、発電電力の目標値Ｐ０を設定することにより、余剰電力の発生低減と、発電電力の変動緩和による発電効率の低下抑制とを、より更に効果的に達成することができる。

尚、本実施形態においては、発電電力の目標値Ｐ０を、評価時間内の需要電力の最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２より、予め定めた偏差分ｄＰ１１、ｄＰ１２小さい値に、設定しているが、前記最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２に設定してもよいし、前記最低値Ｐｍｉｎ１、Ｐｍｉｎ２より、予め定めた偏差分大きい値に設定してもよい。
また、上記実施形態によれば、制御装置３０は、更に、前記発電電力目標値設定手段に優先して、発電電力の目標値Ｐ０が需要電力Ｐより大きい場合に、発電電力の目標値Ｐ０を需要電力Ｐより小さくなるように設定する発電電力目標値優先設定手段（Ｓ１０）を有することにより、需要電力Ｐが急激に減少した場合は、即座に、発電電力の目標値Ｐ０を需要電力Ｐより小さくなるように設定することで、余剰電力の発生を低減することができる。

また、この発電電力目標値優先設定手段（Ｓ１０）は、発電電力の目標値Ｐ０が需要電力Ｐより大きい場合に、発電電力の目標値Ｐ０を需要電力Ｐより予め定めた偏差分ｄＰ３小さくなるように設定することにより、余剰電力の発生をより確実に低減することができる。但し、この偏差分ｄＰ３は、需要電力増大状態判定用の所定値ｄＰ１より小さくする必要がある。

尚、以上に本発明の実施形態を図面に基づいて説明したが、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ システム筐体
２ 水素製造装置（改質器）
３ 燃料電池（スタック）
４ パワーコンディショナー（インバータ）
５ 熱交換器
６ 燃焼器
７ 余剰電力ヒータ
８ 冷却水循環通路
９ 水タンク
１０ 水ポンプ
１１ 冷却器
１２ 熱回収通路
１３ 制御装置
１４ 計測器
１５ 計測器
１６ 計測器
１７ 燃料供給制御手段
１８ 空気供給制御手段

Claims (7)

1. 発電用の燃料電池と、燃料電池の発電電力を制御する制御装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   所定の評価時間ごとに、評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、前記燃料電池の発電電力の目標値を設定する発電電力目標値設定手段を有して、前記発電電力の目標値に従って、前記燃料電池の発電電力を制御するように構成され、
   前記制御装置は、更に、
   需要電力と発電電力の目標値との関係に基づいて、前記評価時間を設定し、需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記評価時間を短くする評価時間可変手段を有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記発電電力目標値設定手段は、評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、最低値より小さくなるように、発電電力の目標値を設定することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記発電電力目標値設定手段は、評価時間内の需要電力の最低値より、予め定めた偏差分小さい値に、発電電力の目標値を設定することを特徴とする、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、更に、
   前記発電電力目標値設定手段に優先して、発電電力の目標値が需要電力より大きい場合に、発電電力の目標値を需要電力より小さくなるように設定する発電電力目標値優先設定手段を有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
5. 前記発電電力目標値優先設定手段は、発電電力の目標値が需要電力より大きい場合に、発電電力の目標値を需要電力より予め定めた偏差分小さくなるように設定し、
   この偏差分は、前記需要電力増大状態判定用の所定値より小さいことを特徴とする、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 発電用の燃料電池と、燃料電池の発電電力を制御する制御装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   第１の評価時間ごとに、第１の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、前記燃料電池の発電電力の目標値を設定する第１の発電電力目標値設定手段と、
   需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記第１の発電電力目標値設定手段に代わり、前記第１の評価時間より短い第２の評価時間が経過したときに、第２の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、前記燃料電池の発電電力の目標値を設定する第２の発電電力目標値設定手段と、
   を有し、
   前記発電電力の目標値に従って、前記燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料電池システムの発電電力目標値の設定方法であって、
   第１の評価時間ごとに、第１の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、前記燃料電池の発電電力の目標値を設定し、
   需要電力が発電電力の目標値を所定値以上上回っている需要電力増大状態では、前記第１の評価時間より短い第２の評価時間が経過したときに、第２の評価時間内の需要電力の最低値に基づいて、前記燃料電池の発電電力の目標値を設定することを特徴とする、燃料電池システムの発電電力目標値の設定方法。

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